CN117601810A - 一种应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统及方法，包括换电装置、可移动式动力电池模块、控制系统；换电装置包括并排设置的两个横移平台、分别与两个横移平台连接的两个横移驱动装置，两个横移驱动装置能够驱动与其连接的横移平台沿X方向来回移动，实现在第一工位与第二工位的切换；横移平台包括刚性平台以及沿Y方向设置于刚性平台上、且并列设置的第一轨道和第二轨道，在横移驱动装置的驱动下，第一轨道或第二轨道与牵引车所在的主轨道对接；控制系统通过控制第一横移平台与第二横移平台交错移动，从而实现将空电的动力电池模块移出、满电的动力电池模块移入主轨道。本发明实现了换电装置的自动化，换电流程的便捷化，高效化。

Description

一种应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统及方法

技术领域

本发明涉及隧洞航道中的曳引系统技术领域，具体涉及一种应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统及方法。

背景技术

由于长距离隧洞航道内光线暗、船－岸富余距离较小，大型船舶在限制性航道中的航行性能会有所下降，如航速受限，不易于操纵等，其中航行安全问题更是不容忽视的。为提高船舶在限制性航道的通行效率同时保证其安全性，除船舶自航方式以外，目前已知可行的方式包括船舶拖带与曳引方式。

应用于隧洞航道中的曳引系统，通过应用于船坞中的引船系统改进而来，由驱动机构、导向机构、传动机构、供电系统、控制系统等组成，设置在船坞两侧的牵引系统带动牵引车随船运行，并为船舶提供牵引力与横向拉力。

在目前的研究中，在实际航道环境下可采用供电方式主要有四种：电缆转盘、低架滑触线、高架滑触线、动力电池。

目前船舶牵引系统在国外航道中已经有较多的应用，但都仅限于水位变化不大的水域。国内内河水域如三峡水域，其隧洞航道水位随季节落差巨大可达30米。因此若采用滑触线或轨道供电的船舶牵引系统将面临长期浸水问题，无法满足牵引车的供电需求。拟采用可移动式动力电池模块为牵引车提供电能，为给牵引车提供持续动力，其动力电池模块的快速更换成为一大难题，因此设计一种高效、快速的换电系统是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的在狭长隧洞内牵引车动力供应受水位限制较大，牵引车换电不便，轨道对接不精准及自动化程度不高等一系列问题，提供一种应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统及方法，通过设计横移平台及其横移驱动装置以实现动力电池模块随平台整体横移，并通过控制程序实现其换轨自动化，且在横移平台上也使用了由控制系统控制的定位装置来实现横移行程的精确，即实现轨道的准确对接，由此来实现换电装置的自动化，换电流程的便捷化，高效化。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，包括换电装置、至少两个可移动式动力电池模块、控制系统；

所述换电装置包括并排设置的第一横移平台和第二横移平台，以及分别与第一横移平台和第二横移平台连接的第一横移驱动装置和第二横移驱动装置，两个横移驱动装置能够分别驱动与其对应连接的横移平台沿X方向来回移动，实现在第一工位与第二工位的切换；两个横移平台的结构相同，均包括刚性平台以及沿Y方向设置于所述刚性平台上、且并列设置的第一轨道和第二轨道，在横移驱动装置的驱动下，所述第一轨道或第二轨道与牵引车所在的主轨道对接；

所述动力电池模块能够与牵引小车机械连接和电连接为牵引小车供电，或者与充电平台电连接进行充电；

所述控制系统分别与所述第一横移驱动装置和第二横移驱动装置电连接并输出控制信号，通过控制第一横移平台与第二横移平台交错移动，从而实现将空电的动力电池模块移出、满电的动力电池模块移入主轨道。

上述方案中，所述横移平台还包括行程开关和行程开关触点，所述行程开关安装在横移平台的X和-X两个横移方向的最大行程处，所述行程开关触点安装在横移平台两侧面对应处；所述行程开关与所述控制系统电连接，控制系统根据行程开关的信号控制对应的横移驱动装置启停。

上述方案中，所述横移平台还包括激光测距传感器，用于测量横移平台的移动距离，所述激光测距传感器与所述控制系统电连接，控制系统根据激光测距传感器的信号控制对应的横移驱动装置的运行速度。

上述方案中，所述横移平台还包括定位装置，所述定位装置用于横移平台在不同工位时的固定。

上述方案中，所述横移平台还包括安装于所述第一轨道或第二轨道上的压力传感器，用于测量空电的动力电池模块是否到达指定区域，所述压力传感器与所述控制系统电连接，将测量信号传输至控制系统。

上述方案中，所述横移平台还包括安装于所述第一轨道或第二轨道两侧的锁止装置，锁止装置与所述控制系统电连接，根据控制系统的控制信号锁止或松开空电的动力电池模块。

上述方案中，两个横移驱动装置的结构相同，均包括电机、减速器、滚珠丝杠、推杆，所述电机的输出轴与所述减速器连接，减速器输出端与滚珠丝杠固定连接，所述推杆套在滚珠丝杠上并与横移平台连接。

上述方案中，所述动力电池模块包括车身框架、集成电池箱、连接装置；所述集成电池箱安装于车身框架上，集成电池箱包括动力电池单体、电池管理系统，热管理组件、高压线束和低压线束；所述连接装置包括机械连接装置、高压线路连接器和低压线路连接器；所述机械连接装置为自动车钩；所述高压线路连接器用于实现牵引车与动力电池模块的高压线路连接与断开，当高压线路连接器断开时牵引车将启用车载备用电池，以用于换电过程中的短距离短时间驱动，当高压线路连接器接上后，动力电池模块通过高压线束向牵引车提供电能，备用电池进入充电状态；所述低压线路连接器用于实现牵引车与动力电池模块的低压线路连接与断开，低压线路连接器接上后，动力电池模块通过低压线束将电池管理系统采集的电池组的参数传递给牵引车。

上述方案中，所述快速换电系统还包括无线数据传输模块，所述无线数据传输模块包括安装于控制柜的5G车载通信板、安装于轨道旁的5G信号基站、交换器、数据存储器和操作终端，所述5G车载通信板定时读取车载系统及动力电池模块的日常运行数据，并通过天线传递给所述5G信号基站，再通过所述交换器传输到所述数据存储器中，然后于操作终端上显示牵引过程相关信息，最终对数据进行分析，与设定的预警值进行对比，及时对可能出现的包括电机故障、电池电量无法返航在内的问题进行处理。

相应的，本发明还提出上述应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统的换电方法，换电时，两个横移平台交错布置且各自有一条轨道与牵引车所在的主轨道对接，满电的动力电池模块位于其中一个横移平台的非主轨道上：

当满电的动力电池模块位于靠近主轨道的第一横移平台时，牵引车先带着空电的动力电池模块驶入横移平台并使空电的动力电池模块位于第二横移平台的主轨道上，接着牵引车驶离横移平台，然后进行换轨操作，两个横移平台进行对向横移，使得空电的动力电池模块从主轨道移向其平行轨道、满电的动力电池模块从平行轨道移向主轨道，换轨结束后，牵引车与满电的动力电池模块进行机械连接和电气连接；

当满电的动力电池模块位于远离主轨道的第二横移平台时，牵引车先带着空电的动力电池模块驶入第一横移平台的主轨道上，接着进行换轨操作，两个横移平台进行对向横移，使得空电的动力电池模块从主轨道移向其平行轨道、满电的动力电池模块从平行轨道移向主轨道，换轨结束后，牵引车驶入第一横移平台的主轨道并与满电的动力电池模块进行机械连接和电气连接。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的换电系统包括两套并排设置的横移平台及其对应的横移驱动装置，每个横移平台上并列设置两段轨道，可分别与牵引车所在的主轨道对接，通过设置横移驱动装置的电机旋转方向相反，这样就可以使两段横移平台交错移动，从而达到将空电动力电池模块移出、满电动力电池模块移入主轨道的效果，同时使主轨道保持完整，从而使牵引车能驶入横移平台与满电动力电池模相连，实现快速换电。

2、通过设置于横移平台上的激光测距传感器、行程开关、压力传感器可以保证横移平台位移的精确即可保证轨道的精准对接，同时便于实现自动控制。

3、动力电池模块设计为带有车身框架的可移动式电池，能够与牵引车进行机械连接和电气连接，可跟随牵引车移动以便进入横移平台实现快速换电。本发明将线路通过位于牵引车上的连接器母端和位于动力电池模块上的连接器公端进行连接实现动力电池模块给牵引车的电力供应与信息获取。

4、本发明通过5G车载通信板定时读取车载系统及动力电池模块的日常运行数据，便于显示相关信息并实时反馈数据和操作终端远程控制。

综上，本发明通过设计横移平台及其横移驱动装置以实现动力电池模块随平台整体横移，并通过控制程序实现其换轨自动化，且在横移平台上也使用了由控制系统控制的定位装置来实现横移行程的精确，即实现轨道的准确对接，由此来实现换电装置的自动化，换电流程的便捷化，高效化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明快速换电系统的换电装置的立体图；

图2是图1所示换电装置的主视图；

图3是图1所示换电装置的俯视图；

图4是图1所示换电装置的横移平台行程最大处行程开关配合示意图；

图5是图1所示换电装置的横移平台底部滚轮与平台轨道的连接示意图；

图6是本发明实施例中横移平台运动的控制流程图；

图7是本发明实施例中换电过程流程图；

图8是本发明实施例中换电过程图。

图中：100、换电装置；10、第一横移平台；11、刚性平台；111、平台滚轮；12、第一轨道；13、第二轨道；14、行程开关；141、行程开关触点；15、激光测距传感器；151、发出端；152、反射端；16、定位装置；161、定位槽；162、定位销；17、压力传感器；18、锁止装置；19、销齿；20、第二横移平台；30、第一横移驱动装置；31、电机；32、输出轴；33、减速器；34、滚珠丝杠；35、推杆；40、第二横移驱动装置；50、平台轨道；

210、空电的动力电池模块；220、满电的动力电池模块。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提出了一种应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，包括换电装置100、至少两个可移动式动力电池模块、控制系统。

如图1-3所示，换电装置100包括并排设置的第一横移平台10和第二横移平台20，以及分别与第一横移平台10和第二横移平台20连接的第一横移驱动装置30和第二横移驱动装置40，两个横移驱动装置能够分别驱动与其对应连接的横移平台沿X方向来回移动，实现在第一工位与第二工位之间的切换。两个横移平台的结构相同，均包括刚性平台11以及沿Y方向设置于刚性平台11上、且并列设置的第一轨道12和第二轨道13，在横移驱动装置的驱动下，通过横移平台的横移实现轨道的变换，使第一轨道12或第二轨道13与牵引车所在的主轨道精准对接。牵引车可以从主轨道上驶入第一轨道12或第二轨道13上，第一轨道12和第二轨道13上也可以放置满电的或空电的动力电池模块。动力电池模块能够与牵引小车机械连接和电连接为牵引小车供电，或者与充电平台电连接进行充电。控制系统分别与第一横移驱动装置30和第二横移驱动装置40电连接并输出控制信号。

进一步优化，横移平台还包括定位装置16，定位装置16用于横移平台在不同工位时的固定。本实施例中，定位装置16包括定位槽161、定位销162及其驱动电推杆，定位槽161开设在横移平台的四个顶角处，定位销162及其驱动电推杆安装在地基上，其中两个定位销162安装于横移平台的第一工位区域，另外两个定位销162安装于横移平台的第二工位区域，通过驱动电推杆推出定位销162使定位销162插入对应的定位槽161中实现横移平台在不同工位处的固定。

进一步优化，横移平台还包括行程开关14和行程开关触点141，行程开关14安装在横移平台的X和-X两个横移方向的最大行程处，行程开关触点141安装在横移平台两侧面对应处，参见图4；行程开关14与控制系统电连接。行程开关14利用机械碰撞改变内部触头的位置来控制自身的状态进而控制电路的通断，控制系统根据行程开关14的信号控制横移平台横移至最大位移处横移驱动装置停止运转和定位销162上升插入定位槽161中实现横移平台的固定，保证横移平台横移到指定的位置才结束并且立即停下。

进一步优化，横移平台还包括激光测距传感器15，用于测量横移平台的移动距离，激光测距传感器15与控制系统电连接，控制系统根据激光测距传感器15的信号控制对应的横移驱动装置的运行速度。激光测距传感器15监测横移平台位移以实现根据行程位置控制横移驱动装置电机转速变化以改变平台横移速度，越接近行程终点速度应越慢。

进一步优化，横移平台还包括安装于所述第一轨道12或第二轨道13上的压力传感器17，用于测量空电的动力电池模块是否到达指定区域，压力传感器17与控制系统电连接，将测量信号传输至控制系统。本实施例中，压力传感器17为压变式压力传感器17。

进一步优化，横移平台还包括安装于第一轨道12或第二轨道13上的两侧的锁止装置18，锁止装置18与控制系统电连接，根据控制系统的控制信号锁止或松开空电的动力电池模块。

进一步优化，横移平台还包括安装于刚性平台11底部的平台轨道50，横移平台下安装有平台滚轮111并设于平台轨道50的滑槽之中，参见图5。

进一步优化，横移平台还包括设置于第一轨道12和第二轨道13中间的销齿19，牵引车上的销齿轮与轨道中的销齿19配合，形成传动，以提供牵引车动力，这种传动形式更适合重载的牵引车。

进一步优化，两个横移驱动装置的结构相同，均包括电机31、减速器33、滚珠丝杠34、推杆35，电机31的输出轴32与减速器33连接，减速器33输出端与滚珠丝杠34固定连接，推杆35套在滚珠丝杠34上并与横移平台连接。当电机31开始运作时，通过减速器33输出大额扭矩给滚珠丝杠34，滚珠丝杠34带动推杆35使横移平台沿平台轨道50实现平移，这样的连接方式将减速器33输出的圆周运动转化为了滚珠丝杠34所带动的横移平台的横移运动，通过改变电机31正反转改变横移平台的横移方向，从而实现换轨。相邻安装两组横移装置，通过设置电机31旋转方向相反，这样就可以使两段横移平台交错移动，从而达到将空电动力电池模块移出、满电动力电池模块移入主轨道的效果，同时设置的并列轨道使主轨道保持完整，从而使牵引车能驶入横移平台与满电动力电池模相连，实现快速换电。

本实施例中，激光测距传感器15反射端152安装在横移平台向内横移方向侧，发出端151安装于滚珠滚珠丝杠34的轴承套上。

基于上述方案，横移平台运动时的控制流程，如图6所示，当横移平台运动时，激光测距传感器15检测横移距离，当行程到设定距离时控制横移驱动装置的电机31降低转速，横移平台继续缓慢运动触碰到行程开关14，带动行程开关14的触点运动，实现电路的切换，此时电机31停转，定位销162上升至定位槽161中实现横移平台的定位与固定。当横移平台固定完成即轨道对接完成。当需要变轨时，基站发送变轨命令到控制系统，首先需要判断锁止装置18是否压紧，如果没有，必须先压紧，再判断横移平台定位销162是否松开，如果没有，必须先松开，随后才可执行平台横移变轨，变轨控制程序控制平台移动完成变轨，变轨完成后通过行程开关14判断是否到位，若平台没有到位则报警指示灯亮，重新进行变轨直到变完成后，报警指示灯熄灭，牵引车通过。

进一步优化，电机31选用低转速大扭矩直流电机，可以提供较大扭矩并输出给减速器33提供大额扭矩；减速器33为斜齿轮减速器。以下关于低转速大扭矩直流电机31选型与可行性进行详细讨论：

丝杠获得所需推力的驱动扭矩为：

其中，Fa：丝杠导向面上阻力，即推动轨道及动力电池模块所需最大推力N，Ph：丝杠的导程m，η:进给丝杠的正效率，滚珠丝杠34取η＝0.96；

丝杠导向面上阻力为：

Fa＝μmg

其中，μ：滚轮摩擦系数，钢质车轮——钢轨取μ＝0.05，m:轨道及动力电池模块总质量kg，g:重力系数，取g＝9.8N/kg；

由于斜齿轮减速器33结构紧凑、使用寿命长，具备高效率、轻重量、传递转矩大等诸多优点，因此减速器33选择减速比为i的斜齿轮减速机。

电机需提供的扭矩为：

电机可提供的扭矩为：

其中，P：电机额定功率kw，n：电机额定转速r/min。

当T0>T1时，即可满足横移平台的工作需求。

进一步优化，动力电池模块包括车身框架、集成电池箱、连接装置；集成电池箱安装于车身框架上，集成电池箱包括动力电池单体、电池管理系统，热管理组件(水冷板，冷却扇等)、高压线束和低压线束；连接装置包括机械连接装置、高压线路连接器和低压线路连接器。机械连接装置为自动车钩，当牵引车与动力电池模块的车身框架对接准确时，插销落下，使两车能自动锁紧，需要解锁时液压杆提起插销实现解锁。高压线路连接器用于实现牵引车与动力电池模块的高压线路连接与断开，将牵引车中用于传输强电电流的线束引出形成一个高压连接器母端，动力电池模块中用于传输强电电流的线束引出形成一个高压连接器公端，通过人工插接连接器公母端的连接实现牵引车和动力电池模块的高压线路连接与断开。当高压线路连接器断开时牵引车将启用车载备用电池，以用于换电过程中的短距离短时间驱动，当高压线路连接器接上后，动力电池模块通过高压线束向牵引车提供电能，备用电池进入充电状态，牵引车电机31驱动机构靠动力电池模块电量运行，带动动力电池模块向前行进，实现牵引船舶的功能。低压线路连接器用于实现牵引车与动力电池模块的低压线路连接与断开，将牵引车中用于对控制单元供电及信号传输的线束引出形成一个低压连接器母端，动力电池模块中用于对控制单元供电及信号传输的线束引出形成一个低压连接器公端，通过人工插接连接器公母端的连接实现牵引车和动力电池模块的低压线路连接与断开。低压线路连接器接上后，动力电池模块通过低压线束将电池管理系统采集的电池组的电压、电流、温度等参数传递给牵引车。高压线缆与低压线缆未连接时都自动收在自动卷盘中，连接时由人工抽出。

进一步优化，快速换电系统还包括无线数据传输模块，无线数据传输模块包括安装于控制柜的5G车载通信板、安装于轨道旁的5G信号基站、交换器、数据存储器和操作终端，移动通信系统为LTE-M系统。5G车载通信板硬件结构主要包括CPU核心模块、5G模组、PHY芯片和GPS模块，5G模组主要负责数据的无线传输，GPS模块负责获取、输出定位信息，PHY芯片工作在物理层，是板卡对外的以太网通信接口，CPU核心模块通过PHY芯片对车载数据进行读取，通过5G模组与基站进行无线通信，读取定位芯片的位置信息，监控电源、5G模组、GPS芯片、PHY芯片等状态，以及工作指示灯控制、串口调试等。5G车载通信板定时读取车载系统及动力电池模块的日常运行数据，并通过天线传递牵引车的电机31转速、缆绳张力、电池剩余电量比、电池健康度等数据给5G信号基站，再通过交换器传输到数据存储器中，然后于操作终端上显示牵引过程相关信息，最终对数据进行分析，与设定的预警值进行对比，及时对可能出现的包括电机31故障、电池电量无法返航在内的问题进行处理。该过程使用5G技术以达到万兆数据传输，实现实时反馈数据和操作终端远程控制。

相应的，本发明还提出上述应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统的换电方法，换电时，两个横移平台交错布置且各自有一条轨道与牵引车所在的主轨道对接，满电的动力电池模块位于其中一个横移平台的非主轨道上：

当满电的动力电池模块220位于靠近主轨道的第一横移平台10时，牵引车先带着空电的动力电池模块210驶入横移平台并使空电的动力电池模块210位于第二横移平台20的主轨道上，接着牵引车驶离横移平台，然后进行换轨操作，两个横移平台进行对向横移，使得空电的动力电池模块210从主轨道移向其平行轨道、满电的动力电池模块220从平行轨道移向主轨道，换轨结束后，牵引车与满电的动力电池模块220进行机械连接和电气连接；

当满电的动力电池模块220位于远离主轨道的第二横移平台20时，牵引车先带着空电的动力电池模块210驶入第一横移平台10的主轨道上，接着进行换轨操作，两个横移平台进行对向横移，使得空电的动力电池模块210从主轨道移向其平行轨道、满电的动力电池模块220从平行轨道移向主轨道，换轨结束后，牵引车驶入第一横移平台10的主轨道并与满电的动力电池模块220进行机械连接和电气连接。

具体的，本实施例中，如图7-8所示，换电过程包括A和B两种换电行程，其中：

换电行程A包括：

A1、换电时，满电的动力电池模块220位于第一横移平台10(靠近主轨道的)的第一轨道12(靠近横移驱动装置的)上，通过第一横移驱动装置30驱动第一横移平台10移动使第一横移平台10的第二轨道13与牵引车所在的主轨道对接，通过第二横移驱动装置40驱动第二横移平台20移动使第二横移平台20的第一轨道12与第一横移平台10的第二轨道13对接。

A2、牵引车带着空电的动力电池模块210驶入与主轨道对接的两个轨道，并使空电的动力电池模块210位于第二横移平台20的第一轨道12。在此过程中，根据压力传感器17检测的压力变化判断空电的动力电池模块210到达指定位置后，牵引车停止运行，空电的动力电池模块210停止在轨道指定位置，锁止机构随即锁止，卡钳压在轨道上限制车轮滑动锁死动力电池模块。

A3、牵引车断开与空电的动力电池模块210之间的机械连接，工作人员断开两车之间的电气连接并检查状况是否正常，无误后控制系统发出指令，牵引车靠自身电池向前驶出横移平台。

A4、换轨操作开始：两个横移平台进行对向横移，即通过第一横移驱动装置30驱动第一横移平台10沿X方向(远离横移驱动装置的方向)移动使第一横移平台10的第一轨道12与主轨道对接；与此同时，通过第二横移驱动装置40驱动第二横移平台20沿-X方向移动使第二横移平台20的第二轨道13与第一横移平台10的第一轨道12对接。如此，空电动力电池模块随平台从主轨道移向内侧平行轨道，满电动力电池模块随平台从内侧平行轨道移向主轨道。在此过程中，激光测距传感器15监测横移平台位移，在横移平台到达指定位置降低电机31转速，横移平台到达最大位移时触发行程开关14使电机31停转，定位销162上升至定位槽161使横移平台固定实现换轨。

A5、换轨结束后，牵引车靠自身备用小电池驶入换电区域与满电的动力电池模块220进行机械连接，工作人员进行两车之间的电气连接电气连接，并将空电的动力电池模块210与充电桩进行电气连接，锁止机构释放。换电操作结束，牵引车驶出换电装置100区域进行曳引工作。

换电行程B包括：

B1、在换电行程A换电结束后的状态下，牵引车带着空电的动力电池模块210驶入第一横移平台10的第一轨道12，然后断开牵引车与空电的动力电池模块210之间的机械连接和电气连接；

B2、换轨操作开始：通过第一横移驱动装置30驱动第一横移平台10沿-X方向移动使第一横移平台10的第二轨道13与主轨道对接；与此同时，通过第二横移驱动装置40驱动第二横移平台20沿X方向移动使第二横移平台20的第一轨道12与第一横移平台10的第二轨道13对接；

B3、换轨结束后，牵引车驶入第一横移平台10的第二轨道13，将牵引车与满电的动力电池模块220进行机械连接和电气连接，并将空电的动力电池模块210与充电桩进行电气连接，换电操作结束；

B4、牵引车驶出横移平台进行曳引工作；

换电行程A与换电行程B交替进行，每次换电后横移平台无需进行任何移动就可进行下次换电。

本发明从横移平台设计、横移平台驱动装置设计、可移动式动力电池模块设计、无线数据传输系统设计角度出发设计了上述动力电池模块随平台横移实现动力电池更换的方案，可以适应狭长隧洞内横移轨道的高效变更、精准对接的工作需求和狭长、水位变化大无法滑触供电、轨道供电的工作环境，从而实现动力电池模块快速、精准、同步和智能化更换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，包括换电装置、至少两个可移动式动力电池模块、控制系统；

所述换电装置包括并排设置的第一横移平台和第二横移平台，以及分别与第一横移平台和第二横移平台连接的第一横移驱动装置和第二横移驱动装置，两个横移驱动装置能够分别驱动与其对应连接的横移平台沿X方向来回移动，实现在第一工位与第二工位的切换；两个横移平台的结构相同，均包括刚性平台以及沿Y方向设置于所述刚性平台上、且并列设置的第一轨道和第二轨道，在横移驱动装置的驱动下，所述第一轨道或第二轨道与牵引车所在的主轨道对接；

所述动力电池模块能够与牵引小车机械连接和电连接为牵引小车供电，或者与充电平台电连接进行充电；

所述控制系统分别与所述第一横移驱动装置和第二横移驱动装置电连接并输出控制信号，通过控制第一横移平台与第二横移平台交错移动，从而实现将空电的动力电池模块移出、满电的动力电池模块移入主轨道。

2.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，所述横移平台还包括行程开关和行程开关触点，所述行程开关安装在横移平台的X和-X两个横移方向的最大行程处，所述行程开关触点安装在横移平台两侧面对应处；所述行程开关与所述控制系统电连接，控制系统根据行程开关的信号控制对应的横移驱动装置启停。

3.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，所述横移平台还包括激光测距传感器，用于测量横移平台的移动距离，所述激光测距传感器与所述控制系统电连接，控制系统根据激光测距传感器的信号控制对应的横移驱动装置的运行速度。

4.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，所述横移平台还包括定位装置，所述定位装置用于横移平台在不同工位时的固定。

5.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，所述横移平台还包括安装于所述第一轨道或第二轨道上的压力传感器，用于测量空电的动力电池模块是否到达指定区域，所述压力传感器与所述控制系统电连接，将测量信号传输至控制系统。

6.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，所述横移平台还包括安装于所述第一轨道或第二轨道两侧的锁止装置，锁止装置与所述控制系统电连接，根据控制系统的控制信号锁止或松开空电的动力电池模块。

7.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，两个横移驱动装置的结构相同，均包括电机、减速器、滚珠丝杠、推杆，所述电机的输出轴与所述减速器连接，减速器输出端与滚珠丝杠固定连接，所述推杆套在滚珠丝杠上并与横移平台连接。

8.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，所述动力电池模块包括车身框架、集成电池箱、连接装置；所述集成电池箱安装于车身框架上，集成电池箱包括动力电池单体、电池管理系统，热管理组件、高压线束和低压线束；所述连接装置包括机械连接装置、高压线路连接器和低压线路连接器；所述机械连接装置为自动车钩；所述高压线路连接器用于实现牵引车与动力电池模块的高压线路连接与断开，当高压线路连接器断开时牵引车将启用车载备用电池，以用于换电过程中的短距离短时间驱动，当高压线路连接器接上后，动力电池模块通过高压线束向牵引车提供电能，备用电池进入充电状态；所述低压线路连接器用于实现牵引车与动力电池模块的低压线路连接与断开，低压线路连接器接上后，动力电池模块通过低压线束将电池管理系统采集的电池组的参数传递给牵引车。

9.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统，其特征在于，所述快速换电系统还包括无线数据传输模块，所述无线数据传输模块包括安装于控制柜的5G车载通信板、安装于轨道旁的5G信号基站、交换器、数据存储器和操作终端，所述5G车载通信板定时读取车载系统及动力电池模块的日常运行数据，并通过天线传递给所述5G信号基站，再通过所述交换器传输到所述数据存储器中，然后于操作终端上显示牵引过程相关信息，最终对数据进行分析，与设定的预警值进行对比，及时对可能出现的包括电机故障、电池电量无法返航在内的问题进行处理。

10.根据权利要求1所述的应用于隧洞航道曳引系统的快速换电系统的换电方法，其特征在于，换电时，两个横移平台交错布置且各自有一条轨道与牵引车所在的主轨道对接，满电的动力电池模块位于其中一个横移平台的非主轨道上：

当满电的动力电池模块位于靠近主轨道的第一横移平台时，牵引车先带着空电的动力电池模块驶入横移平台并使空电的动力电池模块位于第二横移平台的主轨道上，接着牵引车驶离横移平台，然后进行换轨操作，两个横移平台进行对向横移，使得空电的动力电池模块从主轨道移向其平行轨道、满电的动力电池模块从平行轨道移向主轨道，换轨结束后，牵引车与满电的动力电池模块进行机械连接和电气连接；

当满电的动力电池模块位于远离主轨道的第二横移平台时，牵引车先带着空电的动力电池模块驶入第一横移平台的主轨道上，接着进行换轨操作，两个横移平台进行对向横移，使得空电的动力电池模块从主轨道移向其平行轨道、满电的动力电池模块从平行轨道移向主轨道，换轨结束后，牵引车驶入第一横移平台的主轨道并与满电的动力电池模块进行机械连接和电气连接。